(57)【要約】【課題】  歪量計測装置のサイズを小さくしたい。【解決手段】  弾性体３００は、誘電率の高い材料を用いた半球状の柔軟体であり、通信回路を集積した通信素子２００に接触している。また、弾性体３００は、外力に応じて変形し、その結果静電容量が変化する。電極３０２は、弾性体３００と接触するように、通信素子２００の上部表面に配置されている。電極３０２のうち、指定する一つまたは二つの電極と、残りの電極のうちの一つまたは二つの電極に異なった値の電圧を印加し、通信素子２００に備えられた計測機能が電圧を印加した電極間の電圧を測定し、測定した電圧から、電極間の静電容量あるいは弾性体３００の歪量を計測する。通信端子３０４は、弾性体３００と接触しないように、通信素子２００の上部表面に配置されている。【選択図】        図１３
2005055232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、
前記複数の電極と接触し、かつ外力が印加される誘電性の弾性体と、
前記複数の電極の中から、第１の電圧を印加すべき少なくともひとつの電極と、第２の電圧を印加すべき少なくともひとつの電極をそれぞれ選択する選択部と、
前記選択した電極に前記第１の電圧あるいは前記第２の電圧をそれぞれ印加する電圧印加部と、
前記第１の電圧を印加した電極と前記第２の電圧を印加した電極間で、前記誘電性の弾性体を介した電圧に関する状態量を測定する測定部と、
前記測定した電圧に関する状態量にもとづいて、前記誘電性の弾性体に印加された外力に対する歪量を導出する導出部とを含み、
前記選択部は、前記第１の電圧あるいは前記第２の電圧をそれぞれ印加すべき電極を切り換えることを特徴とする歪量計測装置。
【請求項２】
前記複数の電極は、所定の平面の上にそれぞれ配置され、
前記誘電性の弾性体は、前記複数の電極を覆うように、前記平面の上に接触されることを特徴とする請求項１に記載の歪量計測装置。
【請求項３】
前記導出部は、前記選択部で選択した前記第１の電圧あるいは前記第２の電圧をそれぞれ印加すべき電極の前記平面上の位置に応じて、前記歪量のうちの前記平面に水平な方向の成分と前記平面に垂直な方向の成分を分離して導出することを特徴とする請求項２に記載の歪量計測装置。
【請求項４】
前記複数の電極は、前記誘電性の弾性体と接触した前記平面の上の領域の中央部分と、前記中央部分が中心にされるような対称性を有したふたつの部分に少なくとも配置され、
前記選択部は、第１の電圧を印加すべき電極として、前記ふたつの部分にそれぞれ配置された電極を選択し、前記第２の電圧を印加すべき電極として、前記中央部分に配置された電極を選択し、
前記導出部は、前記歪量のうちの前記平面に水平な方向の成分を主として導出することを特徴とする請求項２または３に記載の歪量計測装置。
【請求項５】
前記複数の電極は、前記誘電性の弾性体と接触した前記平面の上の領域の中央部分を貫く直線で当該領域を分割した領域の一方に、少なくともふたつの電極を含んだ第１の電極群として配置され、かつ前記直線を対称軸として、分割した領域の他方の中で前記第１の電極群に対応した位置に少なくともふたつの電極を含んだ第２の電極群としてさらに配置され、
前記選択部は、第１の電圧を印加すべき電極として、前記第１の電極群のうちのひとつの電極と前記第１の電極群のうちのひとつの電極を選択し、前記第２の電圧を印加すべき電極として、前記第１の電極群のうちのひとつの電極と前記第１の電極群のうちのひとつの電極を選択し、
前記導出部は、前記歪量のうちの前記平面に水平な方向の成分を主として導出することを特徴とする請求項２または３に記載の歪量計測装置。
【請求項６】
前記複数の電極は、前記誘電性の弾性体と接触した前記平面の上の領域の中央部分が中心にされるような対称性を有したふたつの部分に少なくとも配置され、
前記選択部は、前記第１の電圧を印加すべき電極として、前記ふたつの部分のうちの一方に配置された電極を選択し、前記第２の電圧を印加すべき電極として、前記ふたつの部分のうちの他方に配置された電極を選択し、
前記導出部は、前記歪量のうちの前記平面に垂直な方向の成分を主として導出することを特徴とする請求項２または３に記載の歪量計測装置。
【請求項７】
前記複数の電極を配置した平面は、各種処理を実行可能なＬＳＩチップのひとつの表面であって、
前記ＬＳＩチップのひとつの表面の中で前記誘電性の弾性体と接触していない領域に、前記導出部で導出した歪量を導電層あるいは電磁作用伝達層を介して他の歪量計測装置に伝達する通信端子をさらに含むことを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の歪量計測装置。
【請求項８】
前記通信端子には、前記導電層あるいは電磁作用伝達層から前記第１の電圧を生成するための電圧が印加され、
前記ＬＳＩチップのうちの前記通信端子を配置した表面と反対の面に、接地層から前記第２の電圧を生成するための電圧が印加される接地端子をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の歪量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歪量計測装置に関し、特に微小な素子上に実現可能な歪量計測装置、通信機能を有した歪量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）などの通信ネットワークにおいて、複数の通信端末が同軸ケーブルや光ファイバなどにより接続されている。これらの通信端末は、ネットワーク中のアドレスを指定することにより、所望の通信端末に信号を伝達する。従来のネットワークは、通信端末同士を有線にて接続することが一般であり、近年では、これを無線で接続するシステムも提案されている。例えば、移動デバイスであるノードの全てが所定の伝送半径をもち、ノード間で無線通信を行うアドホックネットワークが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２６８１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
通信ネットワークや実装基板においては通信端末などを個別配線により一対一の関係で物理的に接続しているため、仮に配線が切断された場合には信号を伝達することができなくなり、通信機能が停止する事態も生じうる。
【０００４】
一方、外力に応じた歪量を計測し、計測結果を通信端末によって伝達させる場合、通信端末と歪量計測装置が一体化されていれば、一般的にそのような装置の適用範囲が広くなる。さらに、そのような装置の大きさが微小であれば、装置の適用範囲はさらに広くなる。微小な大きさの通信端末上に実現可能な歪量計測手法としては、感圧導電性ゴムや歪みゲージの抵抗変化を計測するもの、ダイアフラムの変形を容量変化として計測するもの、圧力による光の透過量変化を利用するもの、空洞の圧力や音響共鳴周波数を計測するものなど数多くの方法が提案されている。これらのセンサのうち、例えば容量型圧力センサと通信の集積回路は、原理的に単一のＬＳＩ上に実装可能である。しかしながら、少なくとも現時点において、マイクロマシンセンサと、高集積度のデジタル回路とを直ちに集積製造可能な装置が実現されていない。また平面状の素子を用い、その表面で圧力を計測する場合、単一の素子では計測できない歪量の自由度が存在する。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、歪量を計測するための素子をＬＳＩ上に形成可能であり、多くの自由度を有した歪量を安定して計測できる歪量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、歪量計測装置である。この装置は、複数の電極と、複数の電極と接触し、かつ外力が印加される誘電性の弾性体と、複数の電極の中から、第１の電圧を印加すべき少なくともひとつの電極と、第２の電圧を印加すべき少なくともひとつの電極をそれぞれ選択する選択部と、選択した電極に第１の電圧あるいは第２の電圧をそれぞれ印加する電圧印加部と、第１の電圧を印加した電極と第２の電圧を印加した電極間で、誘電性の弾性体を介した電圧に関する状態量を測定する測定部と、測定した電圧に関する状態量にもとづいて、誘電性の弾性体に印加された外力に対する歪量を導出する導出部とを含む。この装置において、選択部は、第１の電圧あるいは第２の電圧をそれぞれ印加すべき電極を切り換えてもよい。
【０００７】
以上の装置により、弾性体に印加された外力に応じて、電圧に関する状態量が異なるため、測定した電圧に関する状態量に所定の処理を施せば、歪量を計測できると共に、電圧を印加する電極を所定の時間間隔で変更するために、歪の方向も計測できる。
【０００８】
複数の電極は、所定の平面の上にそれぞれ配置され、誘電性の弾性体は、複数の電極を覆うように、平面の上に接触されてもよい。導出部は、選択部で選択した第１の電圧あるいは第２の電圧をそれぞれ印加すべき電極の平面上の位置に応じて、歪量のうちの平面に水平な方向の成分と平面に垂直な方向の成分を分離して導出してもよい。複数の電極は、誘電性の弾性体と接触した平面の上の領域の中央部分と、中央部分が中心にされるような対称性を有したふたつの部分に少なくとも配置され、選択部は、第１の電圧を印加すべき電極として、ふたつの部分にそれぞれ配置された電極を選択し、第２の電圧を印加すべき電極として、中央部分に配置された電極を選択し、導出部は、歪量のうちの平面に水平な方向の成分を主として導出してもよい。
【０００９】
複数の電極は、誘電性の弾性体と接触した平面の上の領域の中央部分を貫く直線で当該領域を分割した領域の一方に、少なくともふたつの電極を含んだ第１の電極群として配置され、かつ直線を対称軸として、分割した領域の他方の中で第１の電極群に対応した位置に少なくともふたつの電極を含んだ第２の電極群としてさらに配置され、選択部は、第１の電圧を印加すべき電極として、第１の電極群のうちのひとつの電極と第１の電極群のうちのひとつの電極を選択し、第２の電圧を印加すべき電極として、第１の電極群のうちのひとつの電極と第１の電極群のうちのひとつの電極を選択し、導出部は、歪量のうちの平面に水平な方向の成分を主として導出してもよい。複数の電極は、誘電性の弾性体と接触した平面の上の領域の中央部分が中心にされるような対称性を有したふたつの部分に少なくとも配置され、選択部は、第１の電圧を印加すべき電極として、ふたつの部分のうちの一方に配置された電極を選択し、第２の電圧を印加すべき電極として、ふたつの部分のうちの他方に配置された電極を選択し、導出部は、歪量のうちの平面に垂直な方向の成分を主として導出してもよい。
【００１０】
複数の電極を配置した平面は、各種処理を実行可能なＬＳＩチップのひとつの表面であって、ＬＳＩチップのひとつの表面の中で誘電性の弾性体と接触していない領域に、導出部で導出した歪量を導電層あるいは電磁作用伝達層を介して他の歪量計測装置に伝達する通信端子をさらに含んでもよい。通信端子には、導電層あるいは電磁作用伝達層から第１の電圧を生成するための電圧が印加され、ＬＳＩチップのうちの通信端子を配置した表面と反対の面に、接地層から第２の電圧を生成するための電圧が印加される接地端子をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、歪量を計測するための素子をＬＳＩ上に形成可能であり、多くの自由度を有した歪量を安定して計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施例に係る通信技術の方式を説明するための図である。この通信方式を連鎖伝達型の通信方式と呼ぶ。小さな円で示す複数の通信素子が空間内に分散して配置されている状態が示される。各通信素子は、その周辺に配置された他の通信素子に対して信号を伝達する局所的な通信機能を有する。この局所的な通信により隣り合う通信素子間で信号を順次連鎖的に中継し、最終目的地である通信素子まで信号を伝達する。
【００１３】
信号の送信元が通信素子２００ａであり、最終目的地が通信素子２００ｂである場合、連鎖伝達型通信方式によると、信号が通信素子２００ａから通信素子２００ｃおよび２００ｄを介して通信素子２００ｂに伝達される。信号の伝達方法としては、例えば通信素子２００ａが、信号が届く範囲にある周辺の全ての通信素子に信号を伝達し、この信号を受けた全ての通信素子が更に周辺の通信素子に信号を伝達することによって、信号を最終目的地まで同心円状に伝達させてもよい。さらに好ましい方法としては、通信素子２００ａおよび２００ｂ間の経路を予めまたはリアルタイムで設定し、この経路により特定の通信素子のみを介して信号を伝達してもよい。特に後者の方法を採用する場合には、信号伝達に必要な通信素子のみが発信するため、電力消費を少なくすることができ、また他の通信素子の通信に対する干渉を低減することも可能となる。
【００１４】
空間内に複数の通信素子が存在し、この空間内には通信素子間を物理的に接続するための個別配線が形成されていないことが好ましい。例えば、これらの通信素子は、平坦な導電層または導電性基板、交流信号を伝達可能な電磁作用伝達層などに接続されてもよく、また無線により信号の送受が行えるように構成されてもよい。信号の送信は、導電層における電荷の放出により実現されてもよく、また光や電磁波を放出することにより実現されてもよい。ここで通信素子は、チップとして構成されるものに限定されず、本発明の実施例において説明する通信機能を備えたものを含む概念であり、その形態および形状は問わない。
【００１５】
各通信素子は、信号の伝達可能な距離（以下、「有効通信距離」とも呼ぶ）を比較的短く設定されていることが好ましい。信号の通信距離を長くすることは、それだけ電力消費量を大きくし且つ通信に寄与しない他の通信素子に対して悪影響を及ぼす可能性がある。連鎖伝達型の通信方式によると、自身の近傍に存在する通信素子に信号を伝達できれば十分であるため、有効通信距離は周辺の通信素子までの平均距離に応じて設定されることが好ましい。
【００１６】
本発明の通信技術は、様々な用途に応用することができる。例えば、ＬＳＩやメモリなどの電子部品（回路素子）に本発明の通信機能をもたせることによって、各電子部品を個別に配線することなく、複数の電子部品を基板実装する技術を提供することが可能である。また、近年、皮膚の感覚を持つロボットの研究が盛んに行われているが、ロボットの触覚センサに本発明の通信機能をもたせ、触覚センサの検知情報をロボットの頭脳コンピュータに送信する技術を提供することも可能である。また建物の床に本発明の通信機能を有するセンサを点在させることにより、一人暮らしの老人の行動を監視したり、留守中の防犯に役立てることも可能である。また、発光素子に本発明の通信機能をもたせることにより、布状の表示装置などを製造することも可能となる。また、タグに本発明の通信機能をもたせることにより、安価で精度のよい情報の読み取りを可能とするタグを作製することも可能となる。さらに無線通信素子に本発明の通信機能をもたせて例えばコンピュータにそれを装備させ、無線通信素子の近傍に相手方のコンピュータの無線通信素子を配置することによって、コンピュータ間の情報の送受信を容易に行うことも可能となる。また自動車の導電性内壁に本発明の通信機能を備えた通信素子を埋め込み、煩わしい個別配線を不要とした通信装置を実現することも可能となる。
【００１７】
この通信技術は、比較的短い距離に配置された通信素子間で信号を伝達するため、距離による信号の減衰および劣化が少なく、高いスループットでノード数によらない高速伝送を可能とする。また空間内に多くの通信素子を分散して配置させることにより、センサなどの所定の機能をもつチップとの情報交換媒体として広範囲の信号伝達領域を実現する。また、通信素子を比較的自由な位置に配置することができるため、簡易な設計により所望の機能を備えた人工皮膚や表示装置などを生成することも可能である。また配線などの基板回路設計を不要とし、少ないプロセスで基板回路を製造することも可能である。通信素子を導電層で挟持する場合には電磁ノイズ放射がなくなるため、特に病院などの公共性の高い場所においてはその有用性が高い。さらに、導電層などに障害が生じた場合であっても、チップ間の経路を再設定することができ、新たな通信経路を確立することができるという自己修復機能もあわせ持つ。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施例にかかる通信装置１００の外観構成を示す図である。この通信装置１００においては、複数の通信素子２００が２枚の導電層１６および１８によって挟持されている。各通信素子２００は、この２枚の導電層１６および１８に電気的に接続される。導電層１６および１８は、単層構造を有していても、また多層構造を有していてもよく、この例では二次元的に一面に広がった構成を有している。なお、導電層１６および１８は、全体の構造として絶縁体でなければよく、ある程度のシート抵抗を有する層を含んでもよく、また高い抵抗を有する層を含んでもよい。なお、導電層１６および１８は、絶縁体を含んで構成されてもよい。また、導電層１６および導電層１８の構造は、同一でなくてもよく、例えば一方が良導層であるグランド層として存在し、他方がある程度の抵抗を有する信号伝達層として存在してもよい。また、多層構造を有する場合には、複数の層の抵抗値はそれぞれ異なって構成されてもよい。図２は、通信素子２００が挟持されていることを説明するために、導電層１６と導電層１８とが開いた状態を示す。
【００１９】
例えば、本発明による通信装置１００をロボットの表面を覆う人工皮膚として応用する場合、導電層１６および１８を導電性のゴム材料により形成する。可撓性のあるゴム材料で人工皮膚を形成することにより、この人工皮膚はロボットの動作に合せて自在に伸縮することが可能となる。また、個別配線が存在せず、伸縮性のある導電層１６および１８を介して信号を伝達するため、断線などにより通信機能に障害が生じる可能性を低減し、安定した通信能力を提供することも可能となる。また、本発明による通信装置１００を回路基板として応用する場合、導電層１６および１８を導電性のゴム材料で形成することによって、フレキシブルな回路基板を実現することも可能となる。なお、したように、導電層１６または１８が多層構造を有する場合には、各層が導電性のゴム材料で構成されることが好ましい。
【００２０】
各通信素子２００は通信機能以外に、さらに他の機能を有していてもよい。通信装置１００をロボットの人工皮膚として応用する場合には、通信素子２００のいくつかが触覚センサとしての機能も有し、外部から受けた刺激を検出した後、他の通信素子と協同して検出した信号を目的の通信素子まで伝達する。また通信装置１００を基板の実装技術として応用する場合には、通信素子２００が、例えばＬＳＩやメモリなどの回路素子としての機能を有してもよい。このように、本明細書において「通信装置」は少なくとも通信機能を有する装置の意味で用い、これに付加した他の機能、例えば人工皮膚としてのセンサ機能や電子回路としての演算機能などを有してもよいことは、当業者に理解されるところである。
【００２１】
図３は、通信素子２００の機能ブロック図である。通信素子２００は、通信部５０、処理部６０およびメモリ７０を備える。通信部５０は、導電層１６および１８（図２参照）を介して、他の通信素子との間で信号の送受を行う。処理部６０は、通信素子２００の通信機能を制御する。具体的に処理部６０は、周囲の信号の監視、受信信号の解析や、送信信号の生成および送信タイミングの制御など、他の通信素子２００との間の信号伝達に関する行為を行う。また処理部６０は、センサ機能や演算機能など通信機能以外の他の機能を実現してもよい。メモリ７０は、通信機能や他の機能を実現するために必要な情報を予め記録し、また必要に応じて記録していく。
【００２２】
図４は、通信装置１００の断面を示し、局所的通信を実現する通信デバイスの構造の一例を説明するための図である。本明細書において「通信デバイス」は、局所的な通信機能を実現する構造の意味で用いる。
【００２３】
この例において通信デバイスは、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０と、これらの層に電気的に接続する通信素子２００を備える。第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０は、図２における導電層１６および導電層１８に対応し、それぞれ信号を伝達する役割を担う。第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０は絶縁されており、第２信号伝達層３０は接地されたグランド層であってもよい。この通信デバイスにおいて、有効通信距離は第１信号伝達層２０または第２信号伝達層３０の抵抗と、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０の間の容量に基づいて定められ、第１信号伝達層２０または第２信号伝達層３０に電荷を放出することにより信号を発信する。各通信素子はコンデンサを有しており、放出された電荷は有効通信距離内に配置されている周辺の通信素子のコンデンサに蓄積されてもよい。この場合、周辺の通信素子は、その電圧変化により信号を認識することができる。このように図４に示した通信デバイスはコンデンサを駆動するように振る舞うことから、この通信デバイスを「電荷蓄積型」の通信デバイスと呼んでもよい。なおこの呼び名は、説明の便宜上、後述する「電流拡散型」の通信デバイスと区別するために名付けたものであって、図４に示した通信デバイスの特性および構成が、この呼び名の意味により限定されるものではない。
【００２４】
図５は、電荷蓄積型の通信デバイスが信号を発信する原理を説明するための図である。図５（ａ）は、駆動用コンデンサ３４ｂを充電する通信素子２００の状態を示す。主コンデンサ３４ａは、通信素子２００全体を駆動するために必要な電荷を蓄積し、駆動用コンデンサ３４ｂは、通信層３６を駆動するために必要な電荷を蓄積する。通信層３６は、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０（図４参照）を模式的に表したものである。駆動用コンデンサ３４ｂの充電時には、スイッチ３２ａを開き、スイッチ３２ｂを閉じる。なお、各スイッチ３２ａおよび３２ｂは、処理部６０（図３参照）により所定のタイミングで開閉される。これらのスイッチ３２ａおよび３２ｂは、ＭＯＳスイッチなどにより構成されてもよい。なおスイッチ開閉により容量に蓄積された電荷を通信層３６に放出する本方式により、後述の電流拡散型の通信デバイスにおける通信素子を駆動することも可能である。
【００２５】
図５（ｂ）は、駆動用コンデンサ３４ｂを放電する通信素子２００の状態を示す。駆動用コンデンサ３４ｂの放電時には、スイッチ３２ａを閉じ、スイッチ３２ｂを開く。この通信デバイスは、駆動用コンデンサ３４ｂの電荷を通信層３６に放電することによって信号を発信する。１ビットの送信ごとに、主コンデンサ３４ａから駆動用コンデンサ３４ｂに電荷を移動し、駆動用コンデンサ３４ｂの電荷を通信層３６に放電することによって、連続した通信を実現することが可能となる。
【００２６】
図６は、図４および図５に示す通信装置１００における通信原理を説明するための図である。図６のようにシート抵抗ρ［Ω］の第１信号伝達層２０（正方形シートを切り出したときの向かい合う辺間の抵抗がρ［Ω］であるような材料と厚みでできた層）、誘電率εの絶縁層２５、良導層である第２信号伝達層３０の３層からなる構造を考える。絶縁層２５は、通信素子２００間の第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０の間に介在する。今、通信層３６に電源が接続され第１信号伝達層２０に電流密度Ｉ(x,y)が生じたと仮定する。まず簡単のため、図に垂直な方向では電流は一様であり、図に垂直な方向の層の幅は１であるような１次元問題を考える。位置xにおいて層の断面を横切る電流をI(x,t)とすれば、（このとき良導体である第２信号伝達層３０には−I(x,t)が発生している）微小領域［x,x+dx］から単位時間に流出する電荷は、
【００２７】
【数１】
2005055232.tif 000003
を満たす。ここでq(x,t)は単位面積あたりの蓄積電荷量である。また、位置xにおける第１信号伝達層２０の（第２信号伝達層３０に対する）電位V(x,t)は、第１信号伝達層２０の厚みが十分小さければ
【００２８】
【数２】
2005055232.tif 000004
を満たす。C=ε/dは、第１信号伝達層２０と第２信号伝達層３０の間の容量の単位面積あたりの値である。なおdは、第１信号伝達層２０と第２信号伝達層３０の間隔である。
また第１信号伝達層２０の厚みが十分小さく、電流の上下方向分布は一様と仮定できる場合、以下のオーム則
【００２９】
【数３】
2005055232.tif 000005
が成り立つ。
上の(1),(2)および(3)から、Ｉおよびqを消去すると以下の拡散方程式
【００３０】
【数４】
2005055232.tif 000006
を得る。(4)式の一般解は
【００３１】
【数５】
2005055232.tif 000007
と与えられる。ここで
【００３２】
【数６】
2005055232.tif 000008
である。
例えばx=0に電圧源を接続し、強制的にＶ（0,t）=Ｖ０exp(jωt)なる交流電圧を与えると、遠方で発散しない解を組み合わせた以下の関数が電圧分布を与える。
【００３３】
【数７】
2005055232.tif 000009
この式より、電圧印加点から一定の距離（拡散距離）
【００３４】
【数８】
2005055232.tif 000010
程度以内においては有意に電圧が追従し、それより離れたところでの電圧振幅は指数関数的に減少する。このように通信デバイスの有効通信距離は、通信層３６の抵抗および容量に基づいて定められる。そのため、通信層３６の抵抗および容量を適宜設定することにより、所望の有効通信距離を実現することが可能となる。
【００３５】
連鎖伝達型の通信方式においては、近傍の通信素子２００との間で信号の送受を行うことができればよいため、有効通信距離を可能な限り短く設定することが好ましい。例えば通信装置１００内において、通信素子２００間の距離が１０cm以内となるような密度で複数の通信素子２００が配置されている場合には、有効通信距離が１０cm程度となるように通信層３６の抵抗および容量を設定することが好ましい。有効通信距離を短く設定することによって、他の通信素子２００への干渉や無用な電力消費を低減することが可能となる。式(6)はＤを用いると、
【００３６】
【数９】
2005055232.tif 000011
として表現される。
図７は、Ｖ／Ｖ0の実部を縦軸、ｘ／Ｄを横軸とするグラフであって、電荷蓄積型の通信デバイスにおける電圧と通信距離の関係を示す図である。原点から離れるにつれ、電圧の振幅は指数関数的に減少するため、有効通信距離Ｄを大きく越える距離への影響は無視できることが分かる。したがって、この有効通信距離Ｄを通信素子２００の密度に応じて好適に設定することにより、効率よい通信を実現することが可能となる。
【００３７】
図８は、通信装置１００の断面を示し、局所的な通信を実現する通信デバイスの構造の別の例について説明するための図である。この通信デバイスは、スイッチング動作によって通信素子２００を導通させ、その電圧降下によって信号を発信することから、この通信デバイスを「電流拡散型」の通信デバイスと呼んでもよい。なおこの呼び名は、説明の便宜上、前述した「電荷蓄積型」の通信デバイスと区別するために名付けたものであって、図８に示す通信デバイスの特性および構成が、この呼び名の意味により限定されるものではない。
【００３８】
図８（ａ）は、電流拡散型の通信デバイスの構造の一例を示す図である。この通信デバイスは、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０と、これらの層に電気的に接続する通信素子２００を備える。第２信号伝達層３０は良導体として構成され、グランド層であってもよい。第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０は、これらの層よりも高い抵抗値を有する高抵抗層４０によって導通される。具体的には、通信素子２００の周囲に高抵抗層４０が設けられ、この通信素子２００および高抵抗層４０とが第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０に挟持される。高抵抗層４０の抵抗値を第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０の抵抗値に対して適切に設定し、または通信素子２００の２つの電極間を素子内部において適切な抵抗値で常時導通させることにより、通信素子２００内で第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０をスイッチング動作により導通させた場合に、発信した信号が遠くまで広がらず、有効通信距離を近傍の通信素子までの短い距離に設定することができる。
【００３９】
図８（ｂ）は、電流拡散型の通信デバイスの構造の別の例を示す図である。この通信デバイスは、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０と、これらの層に電気的に接続する通信素子２００を備える。第２信号伝達層３０はグランド層であってもよい。第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０は絶縁されており、第１信号伝達層２０には、第１信号伝達層２０よりも高い抵抗値を有する高抵抗層４２が電気的に接続され、この高抵抗層４２には、通信素子２００に電力を供給する電源層４４が電気的に接続されている。電源層４４および第２信号伝達層３０は、抵抗の低い良導体により構成される。第１信号伝達層２０は、高抵抗層４２よりも低く、電源層４４および第２信号伝達層３０よりも高い抵抗値を有するのが好ましい。図示のとおり、第１信号伝達層２０上には、高抵抗層４２および電源層４４とがこの順に積層されている。第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０が絶縁されることにより、これらの層間において電流が定常的に流れる状態を回避することができる。第２信号伝達層３０と電源層４４は、その抵抗値が非常に小さくなるように形成される。
【００４０】
第１信号伝達層２０の抵抗は、有効通信距離に基づいて設定される。すなわち第１信号伝達層２０の抵抗を高抵抗層４２との関係において適切に定めることによって、電流の拡散範囲を設定することが可能となる。なお単位面積あたりで、高抵抗層４２の縦方向インピーダンスが、第１信号伝達層２０と第２信号伝達層３０および電源層４４との間の静電容量によるインピーダンスＺよりも大きい場合には、拡散距離は第１信号伝達層２０の抵抗とインピーダンスＺによって決まる。
【００４１】
図９は、図８（ｂ）に示した５層構造の通信装置１００の構成を示す。電源層４４および第２信号伝達層３０は良導体で構成され、第１信号伝達層２０は、良導体と高抵抗層４２の間の中抵抗値で構成されている。また、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０の間において、通信素子２００同士の間には、絶縁層２５が存在している。この５層構造によって第１信号伝達層２０と第２信号伝達層３０に接続された通信素子２００に電力を供給する。高抵抗層４２の体積抵抗率はη［Ωm］、高抵抗層４２の厚さをd［m］とし、第１信号伝達層２０の電位をV(x)、電源層４４の電位を一定値VEとすると、第１信号伝達層２０から電源層４４に向かって電流密度
【００４２】
【数１０】
2005055232.tif 000012
なる電流が生じる。
したがって、(1)式は
【００４３】
【数１１】
2005055232.tif 000013
のように変更される。第１信号伝達層２０と電源層４４および第２信号伝達層３０との間の容量、すなわち第１信号伝達層２０と電源層４４の間の容量と第１信号伝達層２０と第２信号伝達層３０の間の容量の和をあらためてCと書くと(2)式および(3)式はそのまま成立する。
【００４４】
V(x,t)が時間的に変動する成分（交流成分）のみを表すとすると、(4)式は
【００４５】
【数１２】
2005055232.tif 000014
となる。
２次元問題においては電流密度ベクトルＩ(x,y,t)に対し、(1)式が
【００４６】
【数１３】
2005055232.tif 000015
のように変更され、第１信号伝達層２０の電圧の交流成分V(x,y,t) に関する方程式
【００４７】
【数１４】
2005055232.tif 000016
が得られる。この解は、１次元問題において求めた解に含まれる変数ωCを
【００４８】
【数１５】
2005055232.tif 000017
のように置き換えることで得られる。いま、変位電流よりも高抵抗層４２を垂直方向に流れる電流の方が支配的、すなわち
【００４９】
【数１６】
2005055232.tif 000018
の場合には、１次元問題の解は
【００５０】
【数１７】
2005055232.tif 000019
と書かれる。したがって、有効伝達距離
【００５１】
【数１８】
2005055232.tif 000020
に対し、
【００５２】
【数１９】
2005055232.tif 000021
が成立する。例えば第１信号伝達層２０の抵抗を適宜設定することにより、所望の有効通信距離を得ることが可能となる。
【００５３】
図８（ｃ）は、電流拡散型の通信デバイスの構造の別の例を示す図である。この通信デバイスは、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０と、これらの層に電気的に接続する通信素子２００を備える。第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０は絶縁されており、第１信号伝達層２０には、第１信号伝達層２０よりも高い抵抗値を有する高抵抗層４２が電気的に接続され、この高抵抗層４２には、通信素子２００に電力を供給する電源層４４が電気的に接続されている。同様に、第２信号伝達層３０には、第２信号伝達層３０よりも高い抵抗値を有する高抵抗層４６が電気的に接続され、この高抵抗層４６には、通信素子２００に電力を供給する電源層４８が電気的に接続されている。図示のとおり、第１信号伝達層２０の上面に、高抵抗層４２および電源層４４とがこの順に積層されており、第２信号伝達層３０の下面に、高抵抗層４６および電源層４８とがこの順に積層されている。図８（ｂ）に示した通信デバイスは、通信素子２００の片面のみに積層構造を形成していたが、図８（ｃ）のように、通信素子２００の両面に上下対称な積層構造を形成してもよい。各層の構成および特性については、図８（ｂ）に関連して説明したとおりである。
【００５４】
図１０は、電流拡散型の通信デバイスが信号を発信する原理を説明するための図である。主コンデンサ３４は、通信素子２００全体を駆動するために必要な電荷を蓄積する。通信層３６は、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０（図８参照）を模式的に表したものである。この通信素子２００は、ＭＯＳスイッチなどにより構成されるスイッチ３２のスイッチング動作により電極間インピーダンスを変化させ、信号を発信する。なおスイッチ３２は処理部６０（図３参照）により所定のタイミングで開閉される。なおこの方式で、電荷蓄積型の通信デバイスの通信素子２００を駆動することも可能である。
【００５５】
スイッチ３２を閉じると、第１信号伝達層２０および第２信号伝達層３０とが短絡する。その結果、第１信号伝達層２０と第２信号伝達層３０の間に電圧降下が生じ、近傍の通信素子がその影響を受け、この電圧降下を信号として認識する。前述のとおり、連鎖伝達型の通信方式においては、この電圧降下の影響は、近傍の通信素子に伝達されればよく、遠くに位置する通信素子にまで伝達される必要はない。有効通信距離を近傍に位置する他の通信素子の距離程度に設定することにより、電力消費を少なくすることができ、また他の通信素子との干渉を低減することも可能となる。
【００５６】
次に、通信素子２００に電力を供給する方法について説明する。その一つの方法として、図８（ｂ）に示すように、通信デバイスを多層構造に形成することにより、電源層４４から電力を通信素子２００に供給することが可能である。通信素子２００と電源層４４との間に高抵抗層４２を介在させることにより、電荷が低抵抗である電源層４４全面に供給される。そのため通信装置１００全体に分布している通信素子２００のコンデンサを安定して充電することができる。
【００５７】
図１１は、図８（ｂ）に示す通信装置１００の概略構造を三次元的に示す。第１信号伝達層２０、高抵抗層４２および電源層４４が、図２における導電層１６に対応し、第２信号伝達層３０が導電層１８に対応する。各通信素子２００は、第１電極２０１により第１信号伝達層２０に接続され、また第２電極２０２により第２信号伝達層３０に接続される。電源２０３は、電源層４４と第２信号伝達層３０に接続されている。電源２０３は、通信素子２００を含むシステム全体のエネルギー源である。なお電源２０３は、ここで示す二層通信媒体への外部からの入力信号を兼ねても良い。図１１は簡単のために横方向のみに通信素子２００が配置された構造を示しているが、図の奥行き方向にも通信素子２００を配置して、通信素子２００が２次元的に配置された構造をとることが好ましい。電源層４４は動作エネルギー損失や通信信号損失を低減させるため電気抵抗が少ないことが望ましい。おのおのの通信素子２００は外部からの入力信号若しくは他の通信素子２００から送信される信号を受信し、更にそれをそのまま、あるいは通信素子２００内部で信号処理をして別の通信素子２００へ送信する。これを繰り返してある地点から別の地点への電気通信を実現できる。
【００５８】
既述のごとく、図５に示した構造においては、時間的に以下の動作を行うことで、通信を実現する。
時間＝ｔ１：外部電源より通信デバイスの主コンデンサ３４ａにエネルギー源としての電荷を充電する。
時間＝ｔ２：主コンデンサ３４ａから駆動用コンデンサ３４ｂへ電荷の一部を充電する。
時間＝ｔ３：駆動用コンデンサ３４ｂから通信層３６へ電荷の一部を充電し、電位差を変化させて通信信号とする。
以後、適宜１ビットの通信毎にｔ２とｔ３の過程を繰り返す。
時間＝ｔｘ：主コンデンサ３４ａに充電されている電荷が少なくなればｔ１の充電動作へ戻る。
【００５９】
また、図１０に示した構造においては、時間的に以下の動作を行うことで、通信を実現する。
時間＝ｔ１：外部電源より通信デバイスの主コンデンサ３４にエネルギー源としての電荷を充電する。
時間＝ｔ２：通信層３６をスイッチ３２により短絡し、電位差を変化させて通信信号とする。
時間＝ｔ３：スイッチ３２を開放して通信層３６へ主コンデンサ３４から電荷の一部を充電する。
以後、適宜１ビットの通信毎にｔ２とｔ３の過程を繰り返す。
時間＝ｔｘ：主コンデンサ３４に充電されている電荷が少なくなればｔ１の充電動作へ戻る。
【００６０】
通信デバイス内の主コンデンサ３４または３４ａに蓄えられた電荷を用いて通信を行うためには、主コンデンサ３４または３４ａの容量に限度があるため、数ビット、或いは１ビットの通信毎に外部電源より電荷を充電する必要がある。しかしながら、これは通信そのものとは無関係な動作であり、通信速度の高速化の障害ともなりうる。また、通信デバイスの小型化や部品点数の削減が容易でないという側面もある。通信デバイス内の主コンデンサ３４または３４ａの容量を大きくすれば、外部電源からの一度の充電により通信が可能なビット数が増加することになるが、コンデンサにおける容量値はコンデンサの物理的な大きさと直接比例関係にある。通信デバイスとして主コンデンサ３４または３４ａを含めて全ての部品をＬＳＩチップに搭載する場合、ＬＳＩチップに搭載可能な容量は実用的には例えば数百ｐＦ程度である。ＬＳＩチップにおいては面積がそのまま歩留まりや製造コストに直結するため、チップ面積そのものが出来るだけ小さい方が望ましい。一方で、この値は通信層３６の容量と比較して十分な大きさではない。或いは、主コンデンサ３４または３４ａを個別部品の容量として例えば、チップ部品として構成する場合、数十μＦ程度の容量を取ることが可能であるが、通信デバイス全体の実装の小型化が困難になり、或いは部品点数の削減が困難になる。以下の実施例では、このような問題を解決する好適な通信装置１００を提供する。
【００６１】
図１２は、通信素子２００の内部構成を示す。通信素子２００は、他の通信素子からの信号を受信する受信回路２４１、他の通信素子に信号を送信する送信回路２４３、受信回路２４１および送信回路２４３の動作を制御する制御回路２４２とを備える。第１電極２０１は、少なくとも受信回路２４１および送信回路２４３を第１信号伝達層２０に接続し、この例では、さらに制御回路２４２も第１信号伝達層２０に接続している。同様に第２電極２０２は、少なくとも受信回路２４１および送信回路２４３を第２信号伝達層３０に接続し、この例ではさらに制御回路２４２も第２信号伝達層３０に接続している。受信回路２４１と送信回路２４３は、制御回路２４２にも接続されている。第１電極２０１と第２電極２０２は、受信回路２４１、制御回路２４２および送信回路２４３へのエネルギー源としての電源供給と、通信信号の受信経路や送信経路を兼ねている。制御回路２４２は、受信回路２４１および送信回路２４３からそれぞれ信号を受信、送信し、或いは回路動作の制御を行っている。図３を参照すると、制御回路２４２は処理部６０およびメモリ７０に対応し、受信回路２４１および送信回路２４３は通信部５０に対応する。
【００６２】
通信素子２００はトランジスタを用いて等価的な構成を実現することができる。更に、電子回路をＬＳＩチップで構成することが好ましく、特に現在ではＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ（Field Effect Transistor）構造として構成することが、小型化、低製造コスト、短納期、ディジタル回路の実施容易性、低電源電流等の点で望ましい。
【００６３】
第２の実施例は、通信素子２００による通信機能の説明と異なり、通信素子２００の上に設けた電極を使用した歪量計測機能に関する。複数配置された通信素子２００のそれぞれに本実施例に係る歪量計測機能が設けられることによって、それぞれの通信素子２００近傍の局所的な外力に対する歪量が計測される。さらに、計測された歪量は、通信素子２００による通信機能によって所定のデータ収集装置に伝達される。本実施例の歪量計測機能を有した通信素子２００は、その上部平面上に複数の電極を配置し、さらに複数の電極を覆うように誘電性の弾性体が接触されている。複数の電極のうちのいずれかに所定の電圧をそれぞれ印加するが、その電圧の値は複数あり、例えば、ひとつの電極には５Ｖ、他のひとつの電極には０Ｖが印加される。当該電圧の印加終了後、電圧を印加した電極間で、弾性体を介した電圧を測定する。ここで、弾性体は外力に応じて歪を受けるため、その歪量に応じて静電容量の値が変化し、その結果、歪量に応じて電極間の電圧の測定値が変化する。さらに、電圧を印加する電極を所定の間隔で切り換えることによって、外力に対する歪の方向も特定可能である。
【００６４】
図１３（ａ）−（ｂ）は、第２の実施例にかかる通信素子２００の構成を示す。図１３（ａ）は、通信素子２００の断面での構造を示し、図１３（ｂ）は、通信素子２００の上面からの構造を示す。図１３（ａ）は、図１１に加えて弾性体３００、電極３０２と総称される第１電極３０２ａ、第２電極３０２ｂ、第３電極３０２ｃを含む。また、図１３（ｂ）は、さらに第４電極３０２ｄ、第５電極３０２ｅ、通信端子３０４を含む。
【００６５】
弾性体３００は、誘電率の高い材料を用いた半球状の柔軟体であり、例えば、チタン酸バリウムやＰＺＴの微粒子等の強誘電体の微粒子を混入したゴムである。弾性体３００は図示のごとく、容量を検出する回路、その計測データを送信する通信回路を集積した通信素子２００に接触している。また、弾性体３００は、外力に応じて変形し、その結果静電容量が変化する。
【００６６】
電極３０２は、弾性体３００と接触するように、通信素子２００の上部表面に配置されている。詳細は後述するが、電極３０２のうち、指定する一つまたは二つの電極と、残りの電極のうちの一つまたは二つの電極に異なった値の電圧を印加し、通信素子２００に備えられた計測機能が電圧を印加した電極間の電圧を測定し、測定した電圧から、電極間の静電容量あるいは弾性体３００の歪量を計測する。さらに、電極３０２のうちの電圧を印加する電極を所定の時間間隔で変更させる。
【００６７】
通信端子３０４は、弾性体３００と接触しないように、通信素子２００の上部表面に配置されている。通信端子３０４は、前述の通信機能を実行するとともに、通信素子２００の動作に必要な電力を電源層４４と第１信号伝達層２０から入力する。
図１４は、通信素子２００の内部構成を示す。通信素子２００は、選択部３１０、第１電圧生成部３１２、測定部３１４、導出部３１６、送信回路３１８、第２電圧生成部３２０、制御部３２２、接地端子３２４、第１電圧供給線４００、第２電圧供給線４０２、出力線４０４を含む。ここで、説明の簡略化のため、複数の電極３０２のうちひとつを図示した。
【００６８】
第１電圧生成部３１２は、通信端子３０４に印加された電圧から所定の値の第１電圧を生成し、第１電圧供給線４００を介して出力する。
接地端子３２４は、通信素子２００のうちで電極３０２や通信端子３０４が配置された面と反対の面に配置され、図１３（ａ）の第２信号伝達層３０と接触して、接地される。なお、接地端子３２４は、通信素子２００のうちで電極３０２や通信端子３０４が配置された面と反対の面全体であってもよい。
【００６９】
第２電圧生成部３２０は、接地電圧から第２電圧を生成し、第２電圧供給線４０２を介して出力する。なお、第２電圧が接地電圧であれば、接地端子３２４の接地電圧を保持するだけでもよい。
選択部３１０は、後述の制御部３２２の指示によって、電極３０２の接続対象を第１電圧供給線４００、第２電圧供給線４０２、後述の出力線４０４のうちのいずれかを選択する。
【００７０】
測定部３１４は、出力線４０４を介して電極３０２で検出した電圧を測定する。さらに、導出部３１６は、測定した電圧から歪量に対応した値を導出する。送信回路３１８は、通信端子３０４を介して、歪量に対応した値を送信する。
制御部３２２は、選択部３１０の接続対象を制御する。電極３０２に電圧を印加する充電過程においては、第１電圧供給線４００、第２電圧供給線４０２のいずれかと接続する。あるいは、いずれとも接続しない。また、電極３０２から電圧を検出する測定過程においては、出力線４０４と接続する。
【００７１】
図１５（ａ）−（ｂ）は、通信素子２００での測定原理を示す。図１５（ａ）の通信素子２００は、定電圧源３２６を含み、測定部３１４は、コンデンサ３２８、抵抗３３０、オペアンプ３３２を含む。弾性体３００は、図示のごとくコンデンサとして示した。ここで、電極３０２として第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂを例示したが、これら以外の電極３０２であってもよい。また、第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂに対応して、第１選択部３１０ａと第２選択部３１０ｂを示す。さらに、第１選択部３１０ａ、第２選択部３１０ｂ、測定部３１４は、図示しない制御部３２２の制御によって動作するスイッチ（１）から（３）を含む。
【００７２】
定電圧源３２６は、第１電圧生成部３１２で生成された第１電圧を印加するが、ここでは説明の簡略化のために、定電源として示した。例えば、定電圧源３２６は、５Ｖの電圧を印加する。また、第２電圧は、接地電圧とした。
【００７３】
図１５（ｂ）に示した充電過程において、第１選択部３１０ａのスイッチ（１）と第２選択部３１０ｂのスイッチ（２）が共にａ側に接触することによって、定電圧源３２６の第１電圧が第１電極３０２ａ、弾性体３００、第２電極３０２ｂに印加される。その結果、弾性体３００に所定の電荷が蓄積される。その際、測定部３１４のスイッチ（３）が、ａ側に接触するため、コンデンサ３２８、抵抗３３０、オペアンプ３３２で形成される積分回路は放電、すなわちリセットされる。一方、測定過程において、スイッチ（１）とスイッチ（３）が共にｂ側に接触するため、弾性体３００に蓄積された電荷が測定部３１４に印加され、積分回路が電圧値を測定する。ここで、弾性体３００に蓄積された電荷をＱ、コンデンサ３２８の静電容量をＣ０とすれば、積分結果Ｖは次の通り示される。
【００７４】
（数２０）
Ｖ＝−Ｑ／Ｃ０
弾性体３００が変形すれば、弾性体３００の静電容量が変化することによって、Ｑが変化するため、積分結果Ｖも変化する。
【００７５】
図１６（ａ）−（ｂ）は、通信素子２００のシミュレーション計算に使用されたモデルを示す。ここでは、説明の簡略化のため、図１６（ａ）のごとく、２次元モデルを使用する。また、シミュレーション計算で制御対象とした電極３０２は、図１６（ｂ）に示したとおりであるが、第３電極３０２ｂは、図１３（ｂ）の第４電極３０２ｄや第５電極３０２ｅであってもよい。以下では、第１電極３０２ａ、第２電極３０２ｂ、第３電極３０２ｃに蓄積される電荷をそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３と名づける。ここで、通信素子２００の長さは１ｍｍ、弾性体３００の高さは０．５ｍｍであって、比誘電率は１，０００と仮定した。また、電極３０２は、０．２ｍｍ幅の第３電極３０２ｃが中央に配置され、その両側に０．１ｍｍ間隔をあけ、０．２ｍｍ幅の第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂが配置されている。なお、このモデルの両端の電極間に５Ｖを印加すると、電極に蓄積された電荷量が0.21×10-10［c］であったことから、両端の電極間の静電容量は4.2 ［pF］ であった。この静電容量の値は、一般的にＬＳＩに搭載した計測回路で容易に高い精度で測定可能な容量である。
【００７６】
弾性体３００は、厚さの合計が0.8 mmである第１信号伝達層２０、高抵抗層４２、電源層４４の内部に埋め込まれている。また、ヤング率は5×106 ［Pa］、ポアソン比は0.48、比誘電率は8.5、弾性係数は弾性体３００と同じである。なお、第１信号伝達層２０の底面は第２信号伝達層３０と異なった硬い材質に固定されている。
【００７７】
図１７（ａ）−（ｂ）は、通信素子２００に外力を印加した場合の変化を示す。図１７（ａ）は、垂直方向に外力を印加し、図１７（ｂ）は、水平方向に外力を印加した場合を示す。特に、図１７（ｂ）は、図面の左から右に向かう方向に外力を加えているため、第１電極３０２ａ上の弾性体３００の厚さが、第２電極３０２ｂ上の弾性体３００の厚さより薄くなっている。
【００７８】
図１８（ａ）−（ｄ）は、通信素子２００のシミュレーション計算の結果を示す。第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂに５Ｖ、第３電極３０２ｃに０Ｖを印加した。図１８（ａ）が垂直方向の外力による変位が加わった際の電極３０２の電荷量の変化率を表したグラフである。グラフの横軸が加えた変位量、縦軸が電荷量の変化率である。電荷量の変化率は、何も変位が加わっていない状態での各電極３０２での電荷量を１とした。一方、図１８（ｂ）が水平方向の外力による変位が加わった際の電極３０２の電荷量の変化率である。垂直方向の変位に対しては、どの電極も同様の傾向を示し、またその変化量も小さい。一方で水平方向の変位に対しては、Ｑ１は減少傾向にあるのに対し、Ｑ２は逆に増加傾向にある。Ｑ３は変化がない。前述のごとく図１７（ｂ）のように、第１電極３０２ａ上の弾性体３００の厚さが、第２電極３０２ｂ上の弾性体３００の厚さより薄くなっているために、前者の電気力線の密度がより高くなっている。電気力線の密度が高ければ、電圧も高くなるため、第１電極３０２ａと第３電極３０２ｃ間の静電容量が、第２電極３０２ｂと第３電極３０２ｃ間の静電容量よりも小さくなる。以上の結果、変位に応じてＱ１は減少傾向であるのに対して、Ｑ２は増加傾向にある。すなわち、５Ｖの電圧を印加したふたつの電極を結ぶ直線方向の歪みを特に高い精度で計測可能である。
【００７９】
図１８（ｃ）が垂直方向の変位に対する電荷の変化量を電荷量Ｑ１とＱ２の比としたグラフである。グラフの横軸は変位量、縦軸は電荷量Ｑ１とＱ２の比である。これより、垂直方向の変位量に対して、電荷量の比率はほとんど変わっていない。一方、図１８（ｄ）が水平方向の変位に対する電荷の変化量を電荷量Ｑ１とＱ２の比としたグラフである。水平方向に０．５ｍｍの変位が加わった場合に、電荷量の比率は１０％程度変化している。以上より、電荷量Ｑ１とＱ２の比は垂直方向の変位に対しては変化がほとんど無く、水平方向の変位に対して変化する。
【００８０】
図１９（ａ）−（ｄ）は、通信素子２００のシミュレーション計算の結果を示す。第１電極３０２ａに５Ｖ、第２電極３０２ｂと第３電極３０２ｃに０Ｖを印加した。図１９（ａ）が垂直方向の外力による変位が加わった際の電極３０２の電荷量の変化率を表したグラフである。一方、図１９（ｂ）が水平方向の外力による変位が加わった際の電極３０２の電荷量の変化率である。水平方向の変位に対しては、どの電極も同様に減少傾向を示している。垂直方向の変位に対しては、電極ごとに減少傾向に差があり、Ｑ２の減少傾向が最も大きく、Ｑ１の減少傾向が最も小さい。Ｑ２に影響を及ぼす第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂ間の電気力線は、Ｑ１に影響を及ぼす第１電極３０２ａと第３電極３０２ｃ間の電気力線よりも、弾性体３００の表面近傍を通ると考えられる。その結果、外力の影響を受けやすく、変位によるＱ２の減少傾向が大きい。
【００８１】
図１９（ｃ）が垂直方向の変位に対する電荷の変化量を電荷量Ｑ２とＱ３の比としたグラフである。グラフの横軸は変位量、縦軸は電荷量Ｑ２とＱ３の比である。これより、垂直方向の変位量に対して、電荷量の比率はほとんど変わっていない。一方、図１９（ｄ）が水平方向の変位に対する電荷の変化量を電荷量Ｑ２とＱ３の比としたグラフである。水平方向に０．５ｍｍの変位が加わった場合に、電荷量の比率は１０％程度変化している。以上より、電荷量Ｑ２とＱ３の比は垂直方向の変位に対しては変化がほとんど無く、水平方向の変位に対して変化をする。垂直方向に0.6mmの変位が加わった場合に、電荷量の比率は10%ほど変化している。一方、水平方向の変位量に対して、電荷量の比率はほとんど変わっていない。以上より、電荷量Q２とQ３の比は水平方向の変位に対しては変化がほとんど無く、垂直方向の変位に対して変化する。
【００８２】
図２０（ａ）−（ｂ）は、通信素子２００のシミュレーション計算の結果を示す。図１８と図１９に結果を示したシミュレーション計算においては、垂直方向の変位と水平方向の変位を個別に与えたが、ここでは、まず初期状態として垂直方向のみにある変位を加え、その初期状態のもとで水平方向の変位をさまざまな値に変化させ、その際の電荷量の変化を求めた。第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂに５Ｖ、第３電極３０２ｃに０Ｖを印加した場合には、電荷量Q1とQ２の比率の変化をプロットし、第１電極３０２ａに５Ｖ、第２電極３０２ｂと第３電極３０２ｃに０Ｖを印加した場合には、電荷量Q２とQ３の比率の変化をプロットした。
【００８３】
図２０（ａ）は、第１電極３０２ａと第２電極３０２ｂに５Ｖ、第３電極３０２ｃに０Ｖを印加した場合のグラフを示す。縦軸は電荷量Ｑ１とＱ２の比、横軸は水平方向への変位 ［mm］である。プロットされている点の値の違いは初期状態として垂直方向に加えた変位量の違いを反映している。さらに、初期状態として与えた垂直方向の変位ｙを０ mm から 0.6 ｍｍ まで変化させた場合の結果を重ねて表示してある。この結果より、Q1/Q２ はｙの影響をほとんど受けない。その結果、垂直方向の変位と水平方向の変位が同時に加わった場合でも、電荷量Ｑ１とＱ２の比にもとづいて、水平方向の変位のみを推定することが可能である。
【００８４】
図２０（ｂ）は、第１電極３０２ａに５Ｖ、第２電極３０２ｂと第３電極３０２ｃに０Ｖを印加した場合のグラフを示す。縦軸は電荷量Ｑ２とＱ３の比、横軸は水平方向への変位 ［mm］である。この場合は図２０（ａ）の結果と異なって、水平方向の変位に対する変化量よりも、初期状態として与えた垂直方向の変位ｙによる影響の方が大きい。ただし、推定の精度を向上させるためには、以下のステップにもとづいて変位を推定する。例えば、図２０（ｂ）で電荷量Q2とQ3の比が0.25であるとき、水平方向変位が0.6 mmの場合にはy =0 .4 mm が正しい値であり、水平方向変位が1.0mmの場合にはy = 0.4 mm が正しい推定値であるから、Ｑ２／Ｑ３だけから正確にｙを推定できない。しかし、上記で述べたように、図２０（ａ）の結果より、水平方向の変位が推定可能であるため、まず水平方向の変位の推定を行ったうえで、次に、図２０（ａ）の結果にもとづいて垂直方向へ加えられた変位も正しく推定できる。以上より、制御部３２２が、電位を与える電極の組み合わせを時分割に変えて計測すれが、垂直方向の変位、および水平方向への変位をそれぞれ推定できる。
【００８５】
本実施の形態によれば、弾性体に印加された外力に応じて変化する静電容量を利用して、電極に蓄積される電荷量を測定するため、歪量を計測できる。また、電圧を印加する電極を所定の間隔で変更するために、歪の方向も計測できる。
【００８６】
図２１（ａ）−（ｂ）は、第４の実施例に係る通信素子２００での測定原理を示す。図２１（ａ）の第１電圧生成部３１２は、定電圧源３２６、基準コンデンサ３３４を含む。また、測定部３１４は導出部３１６と一体化されているとするため、図示していない。さらに、第１選択部３１０ａ、第２選択部３１０ｂ、第１電圧生成部３１２は、図示しない制御部３２２の制御によって動作するスイッチ（１）から（３）を含む。
【００８７】
図２１（ｂ）に示した基準コンデンサ３３４の充電と弾性体３００の放電の過程において、第１選択部３１０ａのスイッチ（１）と第２選択部３１０ｂのスイッチ（２）と第１電圧生成部３１２が共にａ側に接触することによって、弾性体３００は放電する。また、第１電圧生成部３１２のスイッチ（３）がａ側に接触することによって、基準コンデンサ３３４が定電圧源３２６によって充電される。一方、測定過程において、スイッチ（１）とスイッチ（３）が共にｂ側に接触するため、基準コンデンサ３３４の静電容量をＣ０、定電圧源３２６の電圧をＶ０とすれば、出力電圧Ｖは次の通り示される。
【００８８】
（数２１）
Ｖ＝（Ｃ０×Ｖ０）／（Ｃ０＋Ｃ）
弾性体３００が変形すれば、弾性体３００の静電容量が変化することによって、出力電圧Ｖも変化する。
【００８９】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。
第２の実施例において、接地端子３２４は、第２電圧として接地電圧を印加している。しかしこれに限らず例えば、接地端子３２４は、第２電圧として接地電圧でなくても、第１電圧より低い値の電圧を印加すればよい。その場合、通信端子３０４から入力した電圧にもとづいて、接地端子３２４がそのような値の第２電圧を生成すればよい。本変形例によれば、通信素子２００の構成の自由度が高くなる。
【００９０】
第２の実施例において、垂直方向の歪量を測定するために、第１電極３０２ａに５Ｖ、第２電極３０２ｂと第３電極３０２ｃに０Ｖを印加し、電荷量Ｑ２とＱ３の比を計測している。しかしこれに限らず例えば、第１電極３０２ａに５Ｖ、第２電極３０２ｂに０Ｖを印加し、第３電極３０２ｃには電圧を印加しないようにして、Ｑ２の電荷量のみを測定してもよい。この場合、垂直方向の推定特性は以下のようになる。垂直方向をz軸とし、ｚ軸に垂直なせんだん歪みu_xzを与える。ここで、せん断歪み u_xz とは、u_xz = p ＞ 0 のとき、半球の頂点を＋x方向に頂点の高さの p 倍だけ移動させるようなずれ変位である。u_xz = p のときの容量変化 ΔCを、p について１次まで考慮すれば、以下の通りになる。
【００９１】
（数２２）
ΔＣ ＝  ｋｐ   (ｋ: 定数）
一方対称性から、逆方向の歪み ｕ＿ｘｚ ＝ −ｐ をあたえたときの容量変化ΔＣ' はΔＣに等しくために、以下の関係が成り立つ。
【００９２】
（数２３）
ΔＣ' ＝ −ｋｐ = ｋｐ = ΔＣ
そのため、ｋ = ０となる。さらに以下の関係が成り立つ。
【００９３】
（数２４）
ΔＣ （ｐ） ＝ ｋｐ + ｋ＿２ ｐ＾２ ＋ ｋ＿３ ｐ＾３ −−−
その結果、p の係数 kがゼロであれば、p の１次までが有効な微小変形に注目する限り、Cは p に対して感度をもたないことになる。すなわち、垂直方向の歪量を推定しない。
【００９４】
第２の実施例において、図１３（ｂ）のごとく、弾性体３００の中心となる位置に第５電極３０２ｅを配置させた。しかしこれに限らず例えば、第５電極３０２ｅような対称性を有した位置に電極を配置しなくてもよい。このような場合、第１電極３０２ａと第４電極３０２ｄに第１電圧を印加し、第２電極３０２ｂと第３電極３０２ｃに第２電圧を印加し、第１電極３０２ａと第３電極３０２ｃ間の電圧を測定し、これにつづいて第４電極３０２ｄと第２電極３０２ｂ間の電圧を測定し、それらの電圧の違いにもとづいて、第２の実施例と同様に水平方向の歪量を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１の実施例に係る通信技術の方式を説明するための図である。
【図２】第１の実施例にかかる通信装置１００の外観構成を示す図である。
【図３】通信素子２００の機能ブロック図である。
【図４】通信装置１００の断面を示し、局所的通信を実現する通信デバイスの構造の一例を説明するための図である。
【図５】電荷蓄積型の通信デバイスが信号を発信する原理を説明するための図である。
【図６】通信装置１００における通信原理を説明するための図である。
【図７】電荷蓄積型の通信デバイスにおける電圧と通信距離の関係を示す図である。
【図８】通信装置１００の断面を示し、局所的な通信を実現する通信デバイスの構造の別の例について説明するための図である。
【図９】５層構造の通信装置１００の構成図である。
【図１０】電流拡散型の通信デバイスが信号を発信する原理を説明するための図である。
【図１１】図８（ｂ）に示す通信装置１００の概略構造を三次元的に示す図である。
【図１２】通信素子２００の内部構成を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）−（ｂ）は、第２の実施例にかかる通信素子２００の構成を示す図である。
【図１４】図１３の通信素子２００の内部構成を示す図である。
【図１５】図１５（ａ）−（ｂ）は、図１３の通信素子２００での測定原理を示す図である。
【図１６】図１６（ａ）−（ｂ）は、図１３の通信素子２００のシミュレーション計算に使用されたモデルを示す図である。
【図１７（ａ）】図１３の通信素子２００に外力を印加した場合の変化を示す図である。
【図１７（ｂ）】図１３の通信素子２００に外力を印加した場合の変化を示す図である。
【図１８】図１８（ａ）−（ｄ）は、図１３の通信素子２００のシミュレーション計算の結果を示す図である。
【図１９】図１９（ａ）−（ｄ）は、図１３の通信素子２００のシミュレーション計算の結果を示す図である。
【図２０】図２０（ａ）−（ｂ）は、図１３の通信素子２００のシミュレーション計算の結果を示す図である。
【図２１】図２１（ａ）−（ｂ）は、第３の実施例にかかる図１３の通信素子２００での測定原理を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
２０  第１信号伝達層、  ２５  絶縁層、  ３０  第２信号伝達層、  ４２  高抵抗層、  ４４  電源層、  ２００  通信素子、  ３００  弾性体、  ３０２  電極、  ３０４  通信端子、  ３１０  選択部、  ３１２  第１電圧生成部、  ３１４  測定部、  ３１６  導出部、  ３１８  送信回路、  ３２０  第２電圧生成部、  ３２２  制御部、  ３２４  接地端子、  ３２６  定電圧源、  ３２８  コンデンサ、  ３３０  抵抗、  ３３２  オペアンプ、  ３３４  基準コンデンサ、  ４００  第１電圧供給線、  ４０２  第２電圧供給線、  ４０４  出力線。
【図１】
2005055232.tif 000022
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005055232.tif 000034
【図１４】
2005055232.tif 000035
【図１５】
2005055232.tif 000036
【図１８】
2005055232.tif 000037
【図１９】
2005055232.tif 000038
【図２０】
2005055232.tif 000039
【図２１】
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【図１６】
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【図１７（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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